Overspraak is een veel voorkomend probleem in digitale en analoge hogesnelheidsschakelingen, dat de signaalintegriteit kan aantasten en ruis kan introduceren. Door de onderliggende oorzaken van overspraak te begrijpen en de juiste ontwerptechnieken toe te passen, is het mogelijk om de impact ervan te minimaliseren.
Met de toenemende vraag naar digitale en analoge hogesnelheidsschakelingen is het probleem van overspraak een belangrijk punt van zorg geworden. Overspraak verwijst naar de ongewenste koppeling van signalen tussen aangrenzende sporen, wat leidt tot interferentie en aantasting van de signaalintegriteit. Zowel differentiële als single-ended signalen zijn gevoelig voor overspraak, waardoor zorgvuldige ontwerpoverwegingen vereist zijn om de effecten ervan te minimaliseren.
De betrouwbare werking en prestaties van elektronische systemen zijn sterk afhankelijk van de kwaliteit van PCB-ontwerpen. Naarmate de complexiteit en snelheid van schakelingen blijven toenemen, neemt ook het potentieel voor overspraakproblemen toe. Overspraak kan leiden tot signaalvervormingen, timingfouten en ruisgeïnduceerde fouten, die de functionaliteit van het systeem aanzienlijk kunnen beïnvloeden. Daarom is het cruciaal om de grondbeginselen van overspraak te begrijpen en doeltreffende richtlijnen te ontwikkelen om de effecten ervan te beperken.
Soorten overspraak
Overspraak is de ongewenste koppeling of interferentie tussen aangrenzende sporen op een PCB. Het treedt op wanneer de elektromagnetische velden die door één signaal worden gegenereerd, zich voortplanten naar een aangrenzend spoor, waardoor de integriteit van de betrokken signalen wordt aangetast. Er zijn twee hoofdtypen van overspraak: differentiële overspraak en single-ended overspraak.
Overspraak wordt veroorzaakt door verschillende factoren en mechanismen, waaronder capaciteit, inductantie en elektromagnetische koppeling. Wanneer sporen parallel lopen of dicht bij elkaar liggen, kan er capacitieve overspraak optreden. Inductieve overspraak kan het gevolg zijn van de magnetische velden die gegenereerd worden door de stroom die door één spoor loopt en een spanning induceert in een aangrenzend spoor. Elektromagnetische koppeling tussen sporen kan optreden door wederzijdse inductantie of wederzijdse capaciteit, wat resulteert in zowel capacitieve als inductieve overspraak.
Differentiële overspraak
Differentiële overspraak verwijst naar de interferentie tussen twee sporen van een differentieel paar, waarbij elk spoor een geïnverteerde versie van hetzelfde signaal draagt. De belangrijkste bron van differentiële overspraak is het onevenwicht tussen de elektromagnetische velden die door elk spoor gegenereerd worden. Dit onevenwicht kan ontstaan door variaties in spoorlengte, afstand, impedantie en elektromagnetische interferentie van externe bronnen. Differentiële overspraak kan leiden tot common mode ruis, verminderde signaalzwaai en verminderde signaalintegriteit.
Single-ended overspraak
Single-ended overspraak treedt op wanneer het elektromagnetische veld van een signaal zich koppelt aan een aangrenzend single-ended spoor. Het beïnvloedt doorgaans single-ended hogesnelheidssignalen en kan voortkomen uit koppeling tussen parallelle sporen, niet-afgeschermde sporen of sporen die dicht bij elkaar lopen. Single-ended overspraak kan leiden tot signaalvervorming, ringing en verhoogde niveaus van ruis, wat resulteert in timingfouten en datacorruptie.
Differentiële overspraak en single-ended overspraak vertonen verschillende kenmerken en vereisen verschillende ontwerpoverwegingen voor mitigatie. Differentiële overspraak beïnvloedt voornamelijk de common mode spanning en het evenwicht tussen de differentiële signalen. Het kan verminderd worden door te zorgen voor symmetrie in spoorlengtes, gecontroleerde impedantie en goede beëindigingstechnieken. Single-ended overspraak beïnvloedt daarentegen de amplitude en integriteit van individuele signalen. Het kan geminimaliseerd worden door een goede afstand tussen de sporen, afschermingstechnieken en zorgvuldige plaatsing van gevoelige sporen ten opzichte van ruisbronnen.
Strategieën voor het minimaliseren van overspraak
1 - Plaatsing van componenten
De plaatsing van componenten speelt een cruciale rol bij het minimaliseren van overspraak in PCB-ontwerpen. Een goede plaatsing van componenten kan helpen om gevoelige componenten te isoleren van ruisbronnen, de lengte van hogesnelheidssporen te beperken en signaalpaden te optimaliseren. Er moet zorgvuldig worden nagedacht over de plaatsing van componenten om het potentieel voor zowel differentiële als single-ended overspraak te minimaliseren.
Gevoelige componenten, zoals differentiële paren met hoge snelheid of single-ended sporen die kritische signalen dragen, dienen strategisch geplaatst te worden om het risico op overspraak te minimaliseren. Deze componenten moeten zo ver mogelijk worden geplaatst van ruisbronnen, zoals klokgeneratoren, schakelende voedingen of digitale hogesnelheidsschakelingen. Door gevoelige componenten te isoleren, kan de elektromagnetische interferentie (EMI) van ruisbronnen worden verminderd, wat resulteert in een verbeterde signaalintegriteit.
Door gelijksoortige componenten te groeperen, kunnen speciale gebieden op de PCB worden gecreëerd, waardoor de waarschijnlijkheid van overspraak tussen verschillende secties afneemt. Door verwante componenten dicht bij elkaar te plaatsen, kunnen de signaalpaden worden verkort, waardoor het gebied waarin overspraak kan optreden wordt geminimaliseerd. Bovendien kunnen gevoelige componenten worden geïsoleerd van ruisbronnen en hogesnelheidssignaalpaden door ze fysiek te scheiden of door afschermingssporen en -technieken te gebruiken.
2- Afstand tussen sporen
De afstand tussen sporen die differentiële of single-ended signalen dragen is kritisch voor het minimaliseren van overspraak. Voor differentiële paren helpt het handhaven van een consistente afstand tussen de sporen om de symmetrie en balans van het signaal te behouden, waardoor de kans op overspraak afneemt. De vereiste ruimte kan gespecificeerd worden door de IC-fabrikant of bepaald worden door simulatie en analyse. Op dezelfde manier kan voor single-ended signalen het handhaven van de juiste afstand tussen parallel lopende sporen helpen om koppeling en interferentie te verminderen (figuur 1).
Figuur 1: De afstand tussen sporen moet goed worden ingesteld om overspraak te minimaliseren
Verder is het essentieel om rekening te houden met de afstand tussen gevoelige sporen en ruisgevoelige componenten of signaalpaden. Het vergroten van de fysieke scheiding tussen deze elementen helpt om de elektromagnetische koppeling tussen hen te minimaliseren en vermindert het risico op overspraak. Zorgvuldige planning van de plaatsing van componenten en aandacht voor de routering van sporen kan aanzienlijk bijdragen aan het bereiken van optimale signaalintegriteit en het verminderen van overspraakgerelateerde problemen.
3 - Gecontroleerde impedantie
Gecontroleerde impedantie-routering is een cruciale techniek voor hogesnelheidssignalen, met inbegrip van differentiële paren, om de signaalintegriteit te behouden en overspraak te minimaliseren. Impedantie verwijst naar de weerstand tegen de stroom van een wisselstroom in een schakeling. Gecontroleerde impedantie zorgt ervoor dat de impedantie van een transmissielijn over de hele lengte overeenkomt met de gespecificeerde waarde, meestal gemeten in ohm.
De spoorbreedte en afstand tussen de sporen zijn kritische factoren bij het controleren van de impedantie en het verminderen van overspraak. Voor differentiële paren met gecontroleerde impedantie moet de spoorbreedte worden ontworpen om de gewenste impedantiewaarde te bereiken. De afstand tussen de sporen moet ook zorgvuldig worden bepaald, rekening houdend met de gewenste differentiële impedantie en het aanvaardbare niveau van overspraak. Ontwerpers moeten de aanbevelingen van de IC-fabrikant raadplegen of impedantieberekeningsprogramma's gebruiken om de juiste spoorbreedte en -afstand te garanderen.
Om signaalsymmetrie te behouden, is het cruciaal om de lengtes van de sporen binnen een differentieel paar op elkaar af te stemmen. Verkeerd afgestemde spoorlengtes kunnen asymmetrie in de timing introduceren en de signaalintegriteit aantasten. Ontwerpers moeten streven naar een afstemming van de lengtes binnen een gespecificeerde tolerantie, meestal een paar mils of minder, afhankelijk van de signaalfrequentie. Technieken zoals serpentineroutering of meandering kunnen worden toegepast om lengteverschillen te compenseren en gelijke voortplantingsvertragingen voor de differentiële signalen te garanderen.
4 – Aardingsvlak
Aarding is een kritisch aspect van PCB-ontwerp om ruis, interferentie en overspraak te minimaliseren. Aardingsvlakken dienen als een referentie met lage impedantie voor signalen en helpen om een stabiele aardingsreferentie te bieden voor de hele printplaat. Een sterk aardingsvlak onder signaalsporen helpt om de koppeling van elektromagnetische velden te verminderen, waardoor het potentieel voor overspraak afneemt. Ontwerpers moeten voldoende ruimte toewijzen aan aardingsvlakken, ervoor zorgen dat ze continu en ononderbroken zijn, en verbonden zijn met de algehele aardingsreferentie van het systeem.
Een goede scheiding tussen signaal- en aardingssporen is essentieel om overspraak te minimaliseren. Aardingssporen moeten tussen signaalsporen of signaallagen worden geplaatst om afscherming en isolatie te bieden. Dit helpt om elektromagnetische koppeling tussen aangrenzende signalen te voorkomen en het risico op overspraak te verminderen. Voldoende ruimte en een zorgvuldige routering van signaal- en aardingssporen moeten worden gehandhaafd om de onderlinge capaciteit en inductantie te minimaliseren.
Om de invloed van overspraak verder te beperken kunnen afschermingssporen en -technieken gebruikt worden. Afschermingssporen, ook wel bekend als beschermingsringen, worden rond gevoelige analoge of hoogimpedante schakelingen geplaatst om ruis en interferentie te minimaliseren. Ze fungeren als een schild en voorkomen dat externe elektromagnetische velden zich koppelen aan de gevoelige sporen. Afschermingstechnieken, zoals geaarde schilden of metalen blikken, kunnen ook gebruikt worden om gevoelige componenten of kritieke signaalpaden te isoleren van externe ruisbronnen.
5 – Ontkoppelingscondensatoren
Ontkoppelingscondensatoren spelen een essentiële rol in het verminderen van voedingsruis en overspraak. Ze bieden een pad met lage impedantie naar de aarding voor hoogfrequente ruis, wat helpt om de voedingsspanning te stabiliseren en mogelijke overspraakeffecten te verminderen.. Ontkoppelingscondensatoren moeten dicht bij de voedings- en aardingspennen van de IC's worden geplaatst die ze moeten ontkoppelen. Er moet voor gezorgd worden dat het spoor tussen de condensatoren en de IC's zo kort mogelijk is om parasitaire inductantie te minimaliseren en hun effectiviteit te maximaliseren.
6 - Lay-outanalyse en simulatie
Het uitvoeren van een pre-lay-outanalyse en simulatie is een cruciale stap in het beperken van overspraak. Door gebruik te maken van geavanceerde PCB-ontwerpsoftware en elektromagnetische simulatietools kunnen ontwerpers mogelijke overspraakproblemen analyseren voordat de PCB-lay-out definitief is. Simulatie helpt bij het identificeren van kritische gebieden die gevoelig zijn voor overspraak, het beoordelen van signaalintegriteit en het evalueren van de effectiviteit van verschillende mitigatietechnieken. Door verschillende scenario's te simuleren en het ontwerp te optimaliseren op basis van de resultaten, kunnen ontwerpers overspraakproblemen proactief aanpakken.
Nadat de PCB-lay-out is voltooid, moeten er een post-lay-outanalyse en validatie worden uitgevoerd om de doeltreffendheid van de toegepaste mitigatietechnieken voor overspraak na te gaan. Signaalintegriteitsanalyse, oogdiagrammen (figuur 2) en tijd-domein-reflectometriemetingen (TDR) kunnen worden uitgevoerd om de prestaties van kritieke signalen te evalueren en het bereikte niveau van overspraakreductie te beoordelen. Eventuele geïdentificeerde problemen kunnen worden aangepakt door middel van ontwerpaanpassingen of aanvullende mitigatiemaatregelen.
Figuur 2: Oogdiagram (Bron: Tektronix)
7 - Stapelingsontwerp
De keuze van de signaallaagstapeling in een PCB-ontwerp kan een aanzienlijke invloed hebben op overspraak en de signaalintegriteit. De laagstapeling bepaalt de rangschikking en volgorde van signaal-, aardings- en voedingsvlakken in de PCB. Ontwerpers moeten rekening houden met de volgende factoren bij het ontwerpen van de signaallaagstapeling:
- Scheiding van gevoelige signalen: Kritieke signalen, zoals differentiële paren met hoge snelheid of analoge signalen, moeten op aparte lagen worden geplaatst om overspraak te minimaliseren. Door deze signalen te isoleren van lawaaierige of snelle digitale signalen, kan het risico op interferentie en overspraak verminderd worden.
- Plaatsing van referentievlakken: Aardings- en voedingsvlakken moeten naast signaallagen worden geplaatst om voor een retourpad met lage impedantie te zorgen en de koppeling tussen signalen te minimaliseren. Het gebruik van sterke aardingsvlakken helpt bij het afschermen van gevoelige signalen en het verminderen van elektromagnetische interferentie.
- Overwegingen voor gecontroleerde impedantie: De laagstapeling moet ontworpen zijn om de gewenste gecontroleerde impedantie voor hogesnelheidssignalen te bereiken. De keuze van diëlektrische materialen en hun diktes tussen signaallagen en referentievlakken heeft een directe invloed op de karakteristieke impedantie van de transmissielijnen.
- Plaatsing van vias en stubs: De plaatsing van vias (figuur 3) en het beheer van stubs spelen een belangrijke rol bij het minimaliseren van overspraak. Vias die signaalsporen tussen lagen verbinden, moeten zo dicht mogelijk bij de bron- en bestemmingspaden worden geplaatst. Door de lengte van vias en stubs te minimaliseren, kan het potentieel voor overspraak worden verminderd. Bovendien is het essentieel om stubs op de juiste manier te beëindigen of te verwijderen om ongewenste reflecties en interferentie te voorkomen.
Figuur 3: Plaatsing van vias kan helpen om overspraak te verminderen
8 - Simulatie- en analysetools
Simulatie- en analysetools zijn essentieel voor het identificeren en beperken van overspraakproblemen in PCB-ontwerpen. Met deze tools kunnen ontwerpers de signaalintegriteit voorspellen en evalueren, overspraakeffecten beoordelen en de lay-out optimaliseren voor betere prestaties. Deze simulatietools omvatten:
- Elektromagnetische veldsimulatietools, zoals de eindige-elementenmethode (FEM) of het eindige-verschil-tijd-domein (FDTD), stellen ontwerpers in staat het elektromagnetische gedrag van signalen op een PCB te visualiseren en analyseren. Door kritieke gebieden met hoge overspraak te identificeren, kunnen ontwerpers de lay-out wijzigen, de routering aanpassen of afschermingstechnieken toepassen om overspraak te verminderen.
- Analysetools voor signaalintegriteit helpen om de kwaliteit van signalen te evalueren, de impact van overspraak te beoordelen en potentiële problemen met signaalintegriteit te voorspellen. Deze tools analyseren parameters zoals signaalintegriteitsmetingen, oogdiagrammen en timingbudgetten om de juiste werking van hogesnelheidssignalen te garanderen.
- Overspraakanalysetools richten zich specifiek op het identificeren en kwantificeren van overspraakeffecten in PCB-ontwerpen. Deze hulpmiddelen simuleren de koppeling van signalen, schatten het niveau van interferentie en beoordelen het effect op de signaalkwaliteit.
Conclusie
Overspraak is een hardnekkige uitdaging in PCB-ontwerpen, vooral naarmate de technologie zich ontwikkelt en de vraag naar hogere snelheden en dichtheden toeneemt. Met een grondig inzicht in overspraakmechanismen en de toepassing van doeltreffende mitigatietechnieken kunnen ontwerpers echter zorgen voor een betrouwbare signaalintegriteit en optimale prestaties van hun ontwerpen.
18.12..2023
